機(jī)載多傳感器數(shù)據(jù)采集與處理軟件設(shè)計(jì)

郭玉潔，繆煒濤，劉濤瑜，李昊昱，鄭 濤

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

增雨機(jī)大氣探測(cè)系統(tǒng)作為增雨機(jī)任務(wù)系統(tǒng)的一個(gè)重要子系統(tǒng)，主要任務(wù)是完成復(fù)雜氣象粒子數(shù)據(jù)和飛機(jī)飛行參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、顯示、存儲(chǔ)、回放以及對(duì)多種氣象傳感器的參數(shù)配置功能[1]。被采集的氣象數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解析處理，將外部環(huán)境中云粒子形狀、濃度、分布狀況以及其他信息綜合顯示在座艙操作控制臺(tái)的顯示器上，可以幫助空中作業(yè)人員進(jìn)行分析判斷，以完成增雨任務(wù)播撒的作業(yè)[2-6]。本文提出了一種機(jī)載多傳感器的數(shù)據(jù)處理采集與處理軟件設(shè)計(jì)方法，針對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)采集與處理過(guò)程中遇到的通信失效和處理速度慢等問(wèn)題，提出了網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)檢測(cè)方案，并應(yīng)用于機(jī)載大氣探測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中。

1 軟件功能需求分析

機(jī)載多傳感器數(shù)據(jù)采集與處理軟件應(yīng)能夠與多種氣象進(jìn)行交互，采集氣象探頭數(shù)據(jù)，發(fā)送氣象探頭控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)探頭的控制。機(jī)載傳感器的接口參數(shù)如表1所示。

表1 探頭接口參數(shù)

首先，軟件應(yīng)能夠完成對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)的采集與處理，其中包括多傳感器數(shù)據(jù)收發(fā)、用戶(hù)自定義解析操作以及用戶(hù)指令控制，主要指令有采樣、記錄以及回放等[4]。其次，軟件應(yīng)能夠檢測(cè)多傳感器數(shù)據(jù)通信狀態(tài)，判定傳感器類(lèi)型，并進(jìn)行通信失效告警[7-10]。最后，軟件應(yīng)具備主從控制機(jī)制。

2 系統(tǒng)組成

機(jī)載多傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大，對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求高，故采用分布式體系架構(gòu)，將不同系統(tǒng)功能分配到不同的高性能計(jì)算機(jī)上，組合完成各種系統(tǒng)功能，以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性。大氣探測(cè)系統(tǒng)由顯控計(jì)算機(jī)、探測(cè)信息處理機(jī)、氣象數(shù)據(jù)接入設(shè)備、千兆以太網(wǎng)交換機(jī)、水含量轉(zhuǎn)換器以及氣象傳感器等部分構(gòu)成，系統(tǒng)模塊之間通過(guò)以太網(wǎng)、串口及總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 大氣探測(cè)系統(tǒng)組成

其中，顯控計(jì)算機(jī)具有雙獨(dú)立顯示輸出端口，具有靈活、多樣且可擴(kuò)展的外部接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及信息顯示功能。該計(jì)算機(jī)具備高速以太網(wǎng)接口、USB接口以及CAN總線接口。氣象數(shù)據(jù)接入設(shè)備包含數(shù)據(jù)采集處理模塊、擴(kuò)展接口模塊以及電源模塊，采用嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)完成對(duì)多路傳感器數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)發(fā)。探測(cè)信息處理機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)接收探頭數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)發(fā)和本地保存功能。該計(jì)算機(jī)具備以太網(wǎng)接口、USB接口及串口。千兆以太網(wǎng)交換機(jī)具備10M、100M以及1 000M自適應(yīng)以太網(wǎng)高速數(shù)據(jù)交換功能，包含高速以太網(wǎng)接口和M12光纖接口。水含量轉(zhuǎn)換器含有一個(gè)采集模塊，用于采集16路模擬量，在模數(shù)變換后，通過(guò)水含量轉(zhuǎn)換器的微處理器實(shí)時(shí)計(jì)算獲得總水含量和液態(tài)水含量，并通過(guò)FlexRay總線發(fā)送到氣象數(shù)據(jù)接入設(shè)備上。

3 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)載多傳感器數(shù)據(jù)采集處理軟件的需求分析，軟件采用分層架構(gòu)，具體如圖2所示。

軟件圖形用戶(hù)界面的組成如下。其中功能按鍵操作區(qū)由采樣功能、記錄功能、回放功能以及設(shè)置功能組成。畫(huà)面顯示區(qū)詳細(xì)顯示從傳感器采集到的各種數(shù)據(jù)信息，具體由數(shù)據(jù)顯示區(qū)、計(jì)數(shù)圖、用戶(hù)自定義數(shù)據(jù)顯示區(qū)、多變量圖表顯示區(qū)、圖像數(shù)據(jù)顯示區(qū)以及參數(shù)設(shè)置區(qū)等部分組成。設(shè)置界面完成對(duì)軟件顯示界面布局的設(shè)置及對(duì)數(shù)據(jù)解算模型參數(shù)的設(shè)置。

軟件邏輯功能模塊描述如下。在參數(shù)輸入與處理模塊設(shè)置基本參數(shù)和解析算法模型的參數(shù)，并記錄成配置文件保存在本地。數(shù)據(jù)解析處理模塊讀取本地文件，配置解析模型參數(shù)，解算傳感器數(shù)據(jù)，并判定其合理性。通信狀態(tài)監(jiān)控模塊由定時(shí)器周期監(jiān)控顯控計(jì)算機(jī)與氣象數(shù)據(jù)接入設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)通信，若3個(gè)監(jiān)控周期沒(méi)有數(shù)據(jù)通信，則判定探測(cè)通信失效。主從控制模塊中，在雙顯控計(jì)算機(jī)冗余配置下，左右顯控計(jì)算機(jī)之間建立心跳通信，若3個(gè)心跳周期內(nèi)沒(méi)有接到對(duì)側(cè)顯控計(jì)算機(jī)的心跳數(shù)據(jù)，則判定左右顯控計(jì)算機(jī)通信失效，重新分配主機(jī)控制權(quán)，保證由唯一計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信控制。

通信模塊采用以太網(wǎng)和串口等方式與硬件之間通信，顯控計(jì)算機(jī)通過(guò)兩種方式接收機(jī)載傳感器數(shù)據(jù)。其中，加駐在氣象數(shù)據(jù)接入設(shè)備上的處理軟件將來(lái)自多種氣象傳感器的232串口數(shù)據(jù)、422串口數(shù)據(jù)以及429總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)格式發(fā)送給顯控計(jì)算機(jī)，該種方式滿(mǎn)足了高可靠性的要求。北斗數(shù)據(jù)和FCDP數(shù)據(jù)直接向顯控計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣可以滿(mǎn)足高實(shí)時(shí)性的要求。

軟件的數(shù)據(jù)源為以太網(wǎng)上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和本地記錄的數(shù)據(jù)文件。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

本軟件在Windows10操作系統(tǒng)下進(jìn)行了基于Qt的軟件開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言是C++，機(jī)載多傳感器數(shù)據(jù)處理顯示軟件在顯控計(jì)算機(jī)上具有直觀的用戶(hù)交互界面，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)、圖形圖表以及配置參數(shù)，同時(shí)能夠配置氣象傳感器設(shè)備、顯示布局以及解析參數(shù)。

軟件的執(zhí)行過(guò)程分為以下幾個(gè)步驟。首先，軟件啟動(dòng)后，執(zhí)行初始化操作，讀取配置文件并配置軟件各項(xiàng)參數(shù)。其次，采樣模式下，主從控制模塊判斷是否與對(duì)側(cè)顯控計(jì)算機(jī)建立通信，若建立通信則由左顯控作為主機(jī)與氣象數(shù)據(jù)接入設(shè)備交互數(shù)據(jù)，若未建立通信則由本機(jī)作為主機(jī)與氣象數(shù)據(jù)接入設(shè)備交互數(shù)據(jù)。再次，主機(jī)通信模塊通過(guò)以太網(wǎng)向氣象接入設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求指令，氣象數(shù)據(jù)接入設(shè)備將指令通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)至氣象探頭，氣象探頭通過(guò)串口回傳數(shù)據(jù)至氣象接入設(shè)備，并由以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至顯控計(jì)算機(jī)軟件。最后，采樣模式下，由定時(shí)器每秒檢測(cè)Socket是否收到數(shù)據(jù)，定時(shí)器周期向氣象接入設(shè)備請(qǐng)求探頭數(shù)據(jù)，若一個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)沒(méi)收到回傳的數(shù)據(jù)信息則判定通信失效，并在顯示界面提示通信失效。

4 結(jié) 論

本文介紹了一種用于大氣云粒子探測(cè)的機(jī)載多傳感器數(shù)據(jù)采集處理軟件設(shè)計(jì)，具體闡述了系統(tǒng)組成和軟件設(shè)計(jì)。其能夠根據(jù)用戶(hù)指令對(duì)多種接口機(jī)載設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理操作和指令設(shè)置操作，具備數(shù)據(jù)通信狀態(tài)檢測(cè)和告警功能。經(jīng)過(guò)某型增雨機(jī)實(shí)際空中探測(cè)作業(yè)實(shí)測(cè)可知，本設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足增雨機(jī)氣象觀測(cè)分析、地面數(shù)據(jù)回放以及氣象探頭參數(shù)配置等多種任務(wù)模式對(duì)多種傳感器數(shù)據(jù)可靠性和實(shí)時(shí)性的需求，具有一定的借鑒意義。